何余堂，高虹妮，解玉梅，劉 賀，勵建榮

(渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧省食品質(zhì)量安全與功能食品研究重點實驗室，遼寧省食品貯藏加工及質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心，遼寧錦州121013)

膳食纖維(Dietary Fiber，DF)是指在人體內(nèi)難以被酶解消化的碳水化合物或其類似物，包括一部分不能消化的多糖、低聚糖等物質(zhì)［1］。膳食纖維具有重要的生理功能，如產(chǎn)生飽腹感;清除自由基;調(diào)解碳水化合物和脂類代謝，降血脂，降血糖等;對離子的交換能力和對有機化合物的吸附作用，有助于減少有毒物質(zhì)對腸粘膜的毒害［2］。膳食纖維在蔬菜、水果、粗糧、雜糧、豆類及菌藻類食物中含量豐富，主要包括谷物纖維、豆類種子與種皮纖維、水果蔬菜纖維、微生物多糖、其他天然纖維、合成半合成纖維，六大類共30余種，其中有實際應(yīng)用的大約有十幾種。膳食纖維分為水溶性膳食纖維(Soluble Dietary Fiber，SDF)和水不溶性膳食纖維(Insoluble Dietary Fiber，IDF)，其中 IDF為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，SDF為寡糖、糊精、多糖等。SDF與IDF在人體內(nèi)的生理功能存在差異:IDF主要促進腸道產(chǎn)生機械蠕動作用，SDF主要發(fā)揮代謝功能，影響碳水化合物和脂類的代謝，降低血脂、血糖、膽固醇等［3］。目前膳食纖維的研究集中在四個方面:膳食纖維對人體生理效應(yīng)及疾病防治作用的研究［4］;利用農(nóng)副產(chǎn)品制備膳食纖維研究［5］;完善和提高膳食纖維工業(yè)提取和改性研究［6］;膳食纖維在食品加工中的應(yīng)用研究［7］。扁杏仁在我國華北，西北和遼寧西北部有較大栽培面積。國內(nèi)扁杏仁產(chǎn)品主要為整粒銷售或加工成扁杏油，產(chǎn)品單一，經(jīng)濟效益偏低。因此，深加工是大扁杏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向［8］。杏仁皮是扁杏仁深加工過程中的副產(chǎn)品，利用率低。杏仁皮中主要含有膳食纖維、多酚類物質(zhì)、黃酮類物質(zhì)、果膠和色素等，其中膳食纖維含量達到45%以上［9］。本研究以遼寧特產(chǎn)扁杏仁為原料，采用響應(yīng)面實驗設(shè)計，利用超聲波輔助與復(fù)合酶法制備杏仁皮水溶性膳食纖維，為扁杏仁的綜合加工利用提供理論與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

扁杏仁 產(chǎn)地為遼寧省錦州義縣;復(fù)合纖維素酶 規(guī)格:Celluclast 1.5L，酶活力:700EGU/g，諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司。

通用型果仁脫殼機 錦州殼牌集團有限公司;DFT-100粉碎機 溫嶺市大德中藥機械有限公司;DHG-9075A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司;TD5A-WS型臺式離心機 湘儀離心機儀器有限公司;L-3型雙層玻璃反應(yīng)釜 北京世紀森朗實驗儀器公司;Scientz-ⅡD超聲波細胞破碎機

寧波新芝生物科技股份有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 工藝流程 扁杏仁皮→恒溫干燥→粉碎過40目篩→稱5g杏仁皮粉，加復(fù)合纖維素酶，液料比15∶1，混勻，調(diào)節(jié)pH至5.5→超聲波處理15min，功率500W→55℃水浴酶解→90℃滅酶10min→濃縮→4000r/min離心15min，過濾→濾渣干燥粉碎得水不溶性膳食纖維(IDF);濾液加4倍體積無水乙醇，靜置30min，4000r/min離心15min，過濾→沉淀干燥得水溶性膳食纖維(SDF)。

1.2.2 扁杏仁皮膳食纖維提取率計算 SDF的測定按 AACC32［10］。膳食纖維提取率(%)=(制備的扁杏仁皮膳食纖維質(zhì)量/扁杏仁皮質(zhì)量)×100。

1.2.3 超聲波輔助酶解參數(shù) 稱取杏仁皮粉末，每份5g，分別放入燒杯中，加入纖維素酶，液料比為15∶1，混勻。先以超聲波功率500W，處理時間分別為5、10、15、20、25min，依據(jù)工藝流程提取杏仁皮膳食纖維，優(yōu)化參數(shù)。然后以超聲波處理時間為15min，功率分別為300、400、500、600、700W，依據(jù)工藝流程提取杏仁皮SDF，優(yōu)化超聲波提取參數(shù)。

1.2.4 單因素實驗 選液料比、酶添加量、酶解時間等因素，進行膳食纖維制備單因素實驗。提取溫度定為 55℃。實驗水平分別為:液料比(5∶1、10∶1、15∶1、20∶1、25∶1);酶添加量(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%);酶解時間(1.0、2.0、3.0、4.0、5.0h)，研究單因素對SDF提取率的影響。依據(jù)結(jié)果確定響應(yīng)面設(shè)計的因素水平。

在液料比(水∶原料)為15∶1、酶添加量為1.5%、酶解時間3.0h(溫度55℃)條件下，改變參數(shù)，研究液料比、酶添加量、酶解時間對杏仁皮SDF提取率的影響。

1.2.5 響應(yīng)面實驗 依據(jù)單因素實驗結(jié)果，進行響應(yīng)面法Box-Behnken Design實驗設(shè)計。稱取杏仁皮粉末10g，以液料比、酶添加量、酶解時間為獨立變量(A、B、C)，以SDF提取率為響應(yīng)值，實驗因素水平設(shè)計見表1。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表Table 1 Variables and levels in response surface method

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 采用Design-Expert.V8.0.6對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，進行響應(yīng)曲面繪制。多項式模型方程擬合由決定系數(shù)R2表達，利用F檢驗分析顯著性。

1.2.7 膳食纖維理化特性分析［11］膳食纖維持水性測定:準確稱取膳食纖維1.0g放入燒杯中，加入定量蒸餾水，室溫攪拌搖勻靜置后，以3000r/min離心20min，除去上清液，稱重，計算持水性。

持水性(g/g)=(樣品吸水后質(zhì)量-樣品質(zhì)量)/樣品質(zhì)量

膳食纖維溶脹性測定:準確稱取膳食纖維1.0g置于量筒中，加入定量蒸餾水，室溫振蕩均勻后靜置后，讀取溶脹前后膳食纖維的體積，計算溶脹性。

溶脹性(mL/g)=(溶脹后體積-溶脹前體積)/樣品質(zhì)量

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波輔助提取參數(shù)

隨著超聲波處理時間的增加，SDF提取率升高。處理時間為15min時，SDF提取率達到較高值，為12.36%;處理時間超過15min，SDF提取率緩慢下降(圖1)。超聲波功率對SDF提取的影響見圖2。隨著功率的增大，SDF提取率升高。超聲波功率為500W時，SDF提取率達到較高值，為12.52%;功率繼續(xù)增大后，SDF提取率反而下降。因此，超聲波輔助提取SDF的參數(shù)為:處理時間15min，功率500W。

圖1 超聲波處理時間對杏仁皮SDF提取率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic treatment time on SDF extraction percentage of almond skin

2.2 杏仁皮SDF提取單因素實驗

2.2.1 液料比對SDF提取率的影響 隨著液料比的增加，SDF提取率快速升高(圖3)。液料比為15∶1時，SDF提取率達到12.63%;液料比繼續(xù)增加后，SDF提取率開始下降。

圖2 超聲波功率對杏仁皮SDF提取率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on SDF extraction percentage of almond skin

圖3 液料比對杏仁皮SDF提取率的影響Fig.3 Effect of liquid-material ratio on SDF extraction percentage of almond skin

2.2.2 酶添加量對杏仁皮SDF提取率的影響 隨著復(fù)合纖維素酶添加量的提高，SDF提取率快速升高;酶添加量達到1.5%時，SDF提取率為12.70%，達到較高值;酶添加量繼續(xù)提高，SDF提取率略有降低(圖4)。

圖4 酶添加量對杏仁皮SDF提取率的影響Fig.4 Effect of enzyme addition on SDF extraction percentage of almond skin

2.2.3 酶解時間對杏仁皮SDF提取率的影響 隨著酶解時間的增加，SDF提取率快速升高(圖5)。酶解時間達到3.0h時，SDF提取率為12.75%，達到較高值;酶解時間繼續(xù)增加，SDF提取率略微下降。

2.3 響應(yīng)面實驗分析

2.3.1 方差分析及回歸方程 以杏仁皮SDF提取率為響應(yīng)值，根據(jù)表2結(jié)果，通過Design-Expert軟件分析獲得回歸方程為:SDF提取率(%)Y=-32.79833+1.288A+27.245B+6.693C-0.012AB+0.033AC-0.590BC-0.041A2-7.073B2-0.898C2(R2=0.989)

回歸方程決定系數(shù)為0.989。從方差分析(表3)可看出，模型，變量A、B、C及二次項均達到極顯著水平，各交互項未達顯著。失擬項不顯著，說明響應(yīng)面分析對實驗擬合好，實驗誤差小，可分析和預(yù)測膳食纖維制備效果。

圖5 酶解時間對杏仁皮SDF提取率的影響Fig.5 Effect of enzymatic hydrolysis time on SDF extraction percentage of almond skin

表2 響應(yīng)面實驗設(shè)計及結(jié)果Table 2 Box-Behnken design and experimental results

2.3.2 響應(yīng)曲面分析與優(yōu)化 響應(yīng)曲面及等高線見圖6～圖8。隨著酶添加量和酶解時間的增加，杏仁皮SDF提取率迅速提高，然后趨于穩(wěn)定;液料比過大或過小均對提取率有負面影響;三個變量中，酶添加量對響應(yīng)值的影響最大，酶解時間次之，液料比最小。對回歸模型進行分析，得到杏仁皮SDF提取的最優(yōu)條件是:液料比為17∶1、酶添加量為1.8%、酶解時間為3.5h;并預(yù)測SDF提取率最高達13.59%。

為驗證回歸模型，在最優(yōu)工藝下進行3次重復(fù)實驗，杏仁皮SDF提取率分別為13.29%、13.18%、13.35%，平均13.27%(誤差0.05%)?；貧w方程的最大預(yù)測值與實驗數(shù)值接近，說明回歸方程較真實地反映了各因素對響應(yīng)值的影響。利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化杏仁皮水溶性膳食纖維制備的技術(shù)參數(shù)，效果較理想。

2.4 杏仁皮水溶性膳食纖維的理化特性

理化分析表明，杏仁皮SDF的持水性分別為8.38、8.31、8.24g/g，平均值為 8.31g/g，溶脹性分別為 6.47、6.55、6.42mL/g，平均值為 6.48mL/g;說明杏仁皮SDF的持水性和溶脹性比較好，具有良好的水合能力。

表3 響應(yīng)面方差分析Table 3 ANOVA for response surface

圖6 Y=f(A，B)響應(yīng)曲面及等高線Fig.6 Response surface and contour for Y=f(A，B)

圖7 Y=f(A，C)響應(yīng)曲面及等高線Fig.7 Response surface and contour for Y=f(A，C)

圖8 Y=f(B，C)響應(yīng)曲面及等高線Fig.8 Response surface and contour for Y=f(B，C)

3 討論與結(jié)論

3.1 利用響應(yīng)面設(shè)計和超聲波輔助技術(shù)，結(jié)合酶法對杏仁皮水溶性膳食纖維制備的工藝參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，液料比、酶添加量、酶解時間對杏仁皮SDF提取率的影響均達極顯著水平。結(jié)合單因素實驗結(jié)果，杏仁皮SDF提取的最佳工藝條件為:液料比為17∶1，酶添加量為1.8%，浸提時間為3.5h，浸提溫度為55℃;超聲波輔助提取技術(shù)參數(shù)為:功率500W，時間15min。此條件下杏仁皮SDF提取率為13.27%，與理論值13.59%相差很小。說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化杏仁皮SDF提取工藝參數(shù)的效果比較好。

3.2 杏仁皮水溶性膳食纖維含有大量的親水基團，具有優(yōu)良的持水性和溶脹性。杏仁皮SDF的持水性為8.31g/g，溶脹性為6.48mL/g，其理化性能稍微優(yōu)于小米麩皮膳食纖維、米糠餅粕膳食纖維和大豆膳食纖維［12-14］。

3.3 超聲波作用于纖維素酶溶液時，可產(chǎn)生空化、振蕩等效應(yīng)，使酶分子構(gòu)象及催化部位發(fā)生變化，影響催化活力。超聲波功率的大小與超聲波處理時間的長短對纖維素酶活力影響較大。適宜強度的超聲波可促進酶的分子構(gòu)象發(fā)生變化，使酶的二級與三級結(jié)構(gòu)更合理，容易與底物分子結(jié)合，從而增強酶的催化能力［15］。超聲波強度過大則會破壞酶分子的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致酶鈍化，降低酶活力，不利于目的產(chǎn)物的分離提取。

扁杏仁是我國特有的藥食兼用杏仁資源，杏仁皮是一種很好的膳食纖維食品。對杏仁進行研發(fā)，有助于將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，對振興地方經(jīng)濟具有重要的現(xiàn)實意義。

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